Lyijyhappoakku: työskentely, rakenne ja lataaminen / purkaminen

Lähes jokainen kannettava ja kannettava laite koostuu akusta. Akku on varastointilaite, johon varastoidaan energiaa virran tuottamiseksi tarvittaessa. On olemassa erilaisia paristoja saatavilla nykyaikaista elektroniikkaa maailmassa, heidän joukossaan Lead Acid akku on yleisesti käytetty korkea virtalähde. Yleensä lyijyhappoakut ovat kooltaan suurempia ja rakenteeltaan kova ja raskas, ne voivat varastoida paljon energiaa ja niitä käytetään yleensä autoissa ja inverttereissä.

Jopa kilpailun jälkeen litiumioniakkujen kanssa lyijyakkujen kysyntä kasvaa päivittäin, koska ne ovat halvempia ja helposti käsiteltäviä verrattuna litiumioniakkuihin. Joidenkin markkinatutkimusten mukaan Intian lyijyakkujen markkinoiden ennustetaan kasvavan yli 9 prosentin CAGR-arvolla vuosina 2018-24. Joten sillä on valtava markkinakysyntä automaatiossa, autoteollisuudessa ja kulutuselektroniikassa. Vaikka suurin osa sähköajoneuvosta on varustettu litiumioniakkuilla, on silti olemassa monia sähköisiä kaksipyöräisiä ajoneuvoja, jotka käyttävät lyijyhappoastioita ajoneuvon virtalähteeseen.

Edellisessä opetusohjelmassa opimme litiumioniakkuista, tässä ymmärrämme lyijyhappoakkujen toiminnan, rakenteen ja sovellukset. Opimme myös lyijyhappoakkujen luokituksista, vaatimuksista ja turvallisuudesta.

Lyijyhappoakun rakenne

Mikä on lyijyhappoakku? Jos rikkomme lyijyhappoakun nimen, saamme lyijyä, happoa ja akkua. Lyijy on kemiallinen alkuaine (symboli on Pb ja atominumero on 82). Se on pehmeä ja muokattava elementti. Tiedämme mikä happo on; se voi lahjoittaa protonin tai hyväksyä elektroniparin, kun se reagoi. Joten akkua, joka koostuu lyijystä ja vedettömästä rumbihaposta (kutsutaan joskus väärin lyijyperoksidiksi), kutsutaan lyijyhappoakuksi.

Nyt mikä on sisäinen rakenne?

Lyijyhappoakku koostuu seuraavista asioista, voimme nähdä sen alla olevassa kuvassa:

Lyijyhappoakku koostuu levyistä, erottimesta ja kovamuovisesta elektrolyytistä, jossa on kovakumikotelo.

Paristoissa levyt ovat kahden tyyppisiä, positiivisia ja negatiivisia. Positiivinen koostuu lyijydioksidista ja negatiivinen sieni-lyijystä. Nämä kaksi levyä erotetaan erottimella, joka on eristävä materiaali. Tämä kokonaisrakenne pidetään kovassa muovikotelossa, jossa on elektrolyytti. Elektrolyytti on vesi ja rikkihappo.

Kova muovikotelo on yksi kenno. Yksisoluinen myymälä tyypillisesti 2,1 V. Tästä syystä 12 V: n lyijyhappoakku koostuu 6 kennosta ja tarjoaa tyypillisesti 6 x 2,1 V / kenno = 12,6 V.

Mikä nyt on lataustallennuskapasiteetti?

Se on erittäin luotettava aktiiviseen materiaaliin (elektrolyytin määrä) ja levyn kokoon. Olet ehkä nähnyt, että litiumpariston varastointikapasiteetti on kuvattu mAh- tai milliamppitunneina, mutta lyijyhappoakun tapauksessa se on ampeerituntia. Kuvailemme tätä myöhemmin.

Lyijyhappoakun toiminta

Lyijyhappoakun käyttö koskee kemikaalia, ja siitä on erittäin mielenkiintoista tietää. Lyijyhappoakun latauksessa ja purkamisessa on valtava kemiallinen prosessi. Laimennetun rikkihapon H ₂ SO ₄ molekyylien murtaa kahteen osaan, kun happo liukenee. Se luo positiivisia ioneja 2H + ja negatiivisia ioneja SO ₄ -. Kuten kerroimme aiemmin, kaksi elektrodia on kytketty levyinä, anodi ja katodi. Anodi tarttuu negatiivisiin ioneihin ja katodi houkuttelee positiivisia ioneja. Tämä liimaus anodi ja SO ₄ - ja katodi kanssa 2H + vaihto elektronit ja joka on edelleen reagoimaan H2O tai veden kanssa (laimennettu rikkihappo, rikkihappo + vesi).

Akulla on kaksi kemiallisen reaktion tilaa: Lataus ja purkaus.

Lyijyhappoakun lataus

Kuten tiedämme, akun lataamiseksi meidän on annettava jännite, joka on suurempi kuin navan jännite. Joten 12,6 V: n akun lataamiseen voidaan käyttää 13 V: tä.

Mutta mitä tapahtuu, kun lataamme lyijyhappoakun?

No, samat kemialliset reaktiot, jotka kuvasimme aiemmin. Erityisesti kun akku on kytketty laturiin, rikkihappomolekyylit hajoavat kahteen ioniin, positiivisiin ioneihin 2H + ja negatiivisiin ioneihin SO ₄ -. Vedyn vaihto elektroneja katodin ja tulla vety, tämä vety reagoi kanssa PbSO ₄ on katodi ja muodostavat Rikkihappo (H ₂ SO ₄) ja lyijy (Pb). Toisaalta, SO ₄ - vaihtaa elektroneja anodin kanssa ja tulee radikaaleiksi SO _{4: ksi}. Tämän SO ₄ reagoi PbSO ₄ anodin ja luoda johtoon peroksidi PbO ₂ ja rikkihappoa (H ₂ SO ₄). Energia varastoituu lisäämällä rikkihapon painovoimaa ja lisäämällä solupotentiaalijännitettä.

Kuten edellä on selitetty, seuraavat kemialliset reaktiot tapahtuvat anodilla ja katodilla latausprosessin aikana.

Katodilla

PbSO ₄ + 2e ^- => Pb + SO ₄ ^2-

Anodilla

PbSO ₄ + 2 H ₂ O => PbO ₂ + SO ₄ ^2- + 4H ^- + 2e ^-

Yhdistämällä kahden yhtälön yläpuolelle kemiallinen reaktio on

2PbSO ₄ + 2 H ₂ O => PbO ₂ + Pb + 2 H ₂ SO ₄

Lyijyakun lataamiseen voidaan käyttää useita menetelmiä. Kutakin menetelmää voidaan käyttää erityisiin lyijyhappoakkuihin tietyissä sovelluksissa. Jotkut sovellukset käyttävät vakiojännitelatausmenetelmää, jotkut sovellukset käyttävät vakiovirtamenetelmää, kun taas kutituslataus on hyödyllinen joissakin tapauksissa. Normaalisti akun valmistaja tarjoaa oikean menetelmän tiettyjen lyijyakkujen lataamiseksi. Vakiovirtaa ei yleensä käytetä lyijyakkujen latauksessa.

Yleisin lyijyhappoakkuissa käytetty latausmenetelmä on vakiojännitelatausmenetelmä, joka on tehokas prosessi latausaikana. Täydessä lataussyklissä latausjännite pysyy vakiona ja virta pienenee asteittain akun varaustason noustessa.

Lyijyhappoakun purkaminen

Lyijyhappoakun purkautuminen liittyy jälleen kemiallisiin reaktioihin. Rikkihappo on laimennetussa muodossa, tyypillisesti 3: 1 suhde veteen ja rikkihappoon. Kun kuormat yhdistetään levyjen yli, rikkihappo hajoaa jälleen positiivisiksi ioneiksi 2H + ja negatiivisiksi ioneiksi SO ₄. Vetyioneja reagoivat PbO ₂ ja tehdä PbO ja veden H ₂: lla PbO alkaa reagoimaan H ₂ SO ₄ ja luo PbSO ₄ ja H ₂: lla

Toisella puolella SO ₄ - ionit vaihtavat Pb: n elektroneja, jolloin syntyy radikaali SO _4, joka luo edelleen PbSO _{4: n} reagoimaan Pb: n kanssa.

Kuten edellä on selitetty, seuraavat kemialliset reaktiot tapahtuvat anodilla ja katodilla purkausprosessin aikana. Nämä reaktiot ovat täsmälleen päinvastaisia ​​kuin latausreaktiot:

Katodilla

Pb + SO ₄ ^2- => PbSO ₄ + 2e ^-

Anodilla:

PbO ₂ + SO ₄ ^2- + 4H ^- + 2e ^- => PbSO ₄ + 2 H ₂ O

Yhdistämällä kahden yhtälön yläpuolelle kemiallinen reaktio on

PbO ₂ + Pb + 2 H ₂ SO ₄ => 2PbSO ₄ + 2 H ₂ O

Anodin ja katodin välisen elektroninvaihdon takia levyjen poikki oleva elektronitasapaino vaikuttaa. Elektronit virtaavat sitten kuorman läpi ja akku purkautuu.

Tämän purkautumisen aikana laimennetun rikkihapon painovoima pienenee. Samanaikaisesti solun potentiaalinen ero pienenee.

Riskitekijä ja sähköiset luokitukset

Lyijyhappoakku on haitallinen, ellei sitä huolleta turvallisesti. Koska akku tuottaa vetykaasua kemiallisen prosessin aikana, se on erittäin vaarallinen, jos sitä ei käytetä ilmastoidussa tilassa. Epätarkka lataus vahingoittaa vakavasti myös akkua.

Mitkä ovat lyijyhappoakun vakioluokitukset?

Jokainen lyijyakku toimitetaan tietolomakkeella normaalille latausvirralle ja purkautumisvirralle. Tyypillisesti autoteollisuudessa sovellettava 12 V: n lyijyhappoakku voi vaihdella välillä 100 - 350 Ah. Tämä luokitus määritellään purkausluokitukseksi, jonka ajastusaika on 8 tuntia.

Esimerkiksi 160Ah: n akku voisi antaa 20A: n syöttövirtaa kuormalle 8 tunnin jakson ajaksi. Voimme käyttää enemmän virtaa, mutta ei ole suositeltavaa tehdä niin. Vetämällä enemmän virtaa kuin suurin purkausvirta 8 tunnin aikana, akun tehokkuus heikkenee ja akun sisäistä vastusta voidaan myös muuttaa, mikä lisää akun lämpötilaa.

Toisaalta, latausvaiheen aikana meidän on oltava varovaisia ​​laturin napaisuuden suhteen, se on liitettävä oikein akun napaisuuteen. Käänteinen napaisuus on vaarallista lyijyakun latautumiselle. Valmiiksi valmistetussa laturissa on latausjännite ja latausvirran mittari, jossa on ohjausvaihtoehto. Meidän tulisi antaa suurempi jännite kuin akun jännite akun lataamiseksi. Suurimman latausvirran tulee olla sama kuin suurin syöttövirta 8 tunnin purkausnopeudella. Jos otamme saman 12V 160Ah esimerkin, suurin syöttövirta on 20A, joten suurin turvallinen latausvirta on 20A.

Meidän ei pitäisi lisätä tai tarjota suurta latausvirtaa, koska se johtaa lämpöön ja lisääntyneeseen kaasuntuotantoon.

Lyijyakkujen ylläpitosäännöt

1. Kastelu on kaikkein laiminlyöty tulva-lyijyakkujen huolto-ominaisuus. Koska ylikuormitus vähentää vettä, meidän on tarkistettava se usein. Vähemmän vettä aiheuttaa hapettumista levyissä ja vähentää akun käyttöikää. Lisää tislattua tai ionisoitua vettä tarvittaessa.
2. Tarkista tuuletusaukot, ne on täydennettävä kumikorkkeilla, usein kumikorkit tarttuvat reikiin liian tiukasti.
3. Lataa lyijyakkuja jokaisen käytön jälkeen. Pitkä jakso ilman lataamista antaa sulfaatteja levyihin.
4. Älä jäädytä akkua tai lataa sitä yli 49 astetta. Kylmissä olosuhteissa akut on ladattava täyteen, koska täysin ladatut akut ovat turvallisempia kuin tyhjät akut jäätymisen kannalta.
5. Älä pura akkua alle 1,7 V kennoa kohti.
6. Lyijyhappoakun säilyttämiseksi se on ladattava kokonaan ja sitten elektrolyytti on tyhjennettävä. Sitten paristo kuivuu ja sitä voidaan säilyttää pitkään.